开关电源设计（开关电源如何设计？）

　　开关电源设计（开关电源如何设计？）
　　针对开关电源很多人觉得很难，其实不然。设计一款开关电源并不难，难就难在做精，等你真正入门了，积累一定的经验，再采用分立的结构进行设计就简单多了。万事开头难，笔者在这就抛砖引玉，慢慢讲解如何一步一步设计开关电源。
　　开关电源设计的第一步就是看规格，具体的很多人都有接触过，也可以提出来供大家参考，我帮忙分析。
　　在这里只带大家设计一款宽范围输入的，12V2A的常规隔离开关电源。1、首先确定功率
　　根据具体要求来选择相应的拓扑结构；这样的一个开关电源多选择反激式（flyback）基本上可以满足要求。在这里我会更多的选择是经验公式来计算，有需要分析的，可以拿出来再讨论。2、选择相应的PWMIC和MOS来进行初步的电路原理图设计
　　当我们确定用flyback拓扑进行设计以后，我们需要选择相应的PWMIC和MOS来进行初步的电路原理图设计（sch）。无论是选择采用分立式的还是集成的都可以自己考虑。对里面的计算我还会进行分解。
　　分立式：PWMIC与MOS是分开的，这种优点是功率可以自由搭配，缺点是设计和调试的周期会变长（仅从设计角度来说）；集成式：就是将PWMIC与MOS集成在一个封装里，省去设计者很多的计算和调试分步，适合于刚入门或快速开发的环境。3、做原理图
　　确定所选择的芯片以后，开始做原理图（sch），在这里我选用STVIPer53DIP（集成了MOS）进行设计。
　　设计前最好都先看一下相应的datasheet，确认一下简单的参数。无论是选用PI的集成，或384x或OBLD等分立的都需要参考一下datasheet。一般datasheet里都会附有简单的电路原理图，这些原理图是我们的设计依据。4、确定相应的参数
　　当我们将原理图完成以后，需要确定相应的参数才能进入下一步PCBLayout。当然不同的公司不同的流程，我们需要遵守相应的流程，养成一个良好的设计习惯，这一步可能会有初步评估，原理图确认，等等，签核完毕后就可以进行计算了。
　　先附上相应的原理图。5、确定开关频率，选择磁芯确定变压器
　　这里确定芯片工作频率为70KHz，芯片的频率可以通过外部的RC来设定，工作频率就等于开关频率，这个外设的功能有利于我们更好的设计开关电源，也可以采取外同步功能。与UC384X功能相近。
　　变压器磁芯为EER2828L。
　　一般AC2DC的变换器，工作频率不宜设超过100kHz，主要是开关电源的频率过高以后，不利于系统的稳定性，更不利于EMC的通过性。频率太高，相应的didtdvdt都会增加，除PI132kHz的工作频率之外，大家可以多参考其它家的芯片，就会总结自己的经验出来。
　　对于磁芯的选择，是在开关频率和功率的基础，更多的是经验选取。当然计算的话，你需要得到更多的磁芯参数，包括磁材，居里温度，频率特性等等，这个是需要慢慢建立的。
　　关于变压器磁芯的选择
　　功率大小：
　　小于5w可使用的磁芯：
　　ER9。5，ER11。5，EE8。3，EE10，EE13，RM4，GU11，EP7，EP10，UI9。8，URS7
　　510W可使用的磁芯：
　　ER20，EE19，RM5，GU14，EFD15，EI22，EPC13，EF16，EP13，UI11。5
　　1020W可使用的磁芯：
　　ER25，EE20，EE25，RM6，GU18，EPC17，EF20
　　2050W可使用的磁芯：
　　ER28，ETD28，EI28，EE28，EE30，EF25，RM8，GU22，PQ20，EPC19，EFD20
　　50100W可使用的磁芯：
　　ER35，ETD34，EE35，EI35，EF30，RM10，GU30，PQ26，EPC25，EFD25
　　100200W可使用的磁芯：
　　ER40，ER42，ETD39，EI40，RM12，GU36，PQ32，EFD30
　　200500W可使用的磁芯：
　　ER49，ETD49，EC53，EE42，EE55，EI50，RM14，GU42，PQ35，PQ40，UU66
　　大于500W可使用的磁芯：
　　ER70，ETD59，EE65，EE85，GU59，PQ50，UU80，UU93
　　磁芯与传输功率对照表
　　6、设计变压器进行计算
　　输入input：85265Vac
　　输出output：12V2A
　　开关频率Fsw：70kHz
　　磁芯core：EER2828L
　　磁芯参数：Ae82mm2
　　以上均是已知参数，我们还需要设定一些参数，就可以进入下一步计算。
　　设定参数：
　　效率80
　　最大占空比：Dmax0。45
　　磁感应强度变化：B0。2
　　有了这些参数以后，我们就可以计算得到匝数和电感量。
　　输出功率Po12V2A24W
　　输入功率PinPo24W0。830W
　　输入最低电压Vin（min）Vac（min）sqr（2）85Vac1。414120Vdc
　　输入最高电压Vin（max）Vac（max）sqr（2）265Vac1。414375Vdc
　　输入平均电流IavPinVin（min）30W120Vdc0。25A
　　输入峰值电流Ipeak4Iav1A
　　原边电感量
　　LpVin（min）Dmax（IpeakFsw）120Vdc0。45（1A70K）770uH
　　这里的4是一个经验值，当然也是我自己独家的经验。至于推导，不用那么麻烦，看下面的图，你就明白了，下面是DCM时的电流波形；至于CCM加一个平台，自己可以推导，很简单。
　　到此最重要的一步原边电感量已经求出，对于漏感及气隙，我不建议各位再去计算和验证。
　　漏感Lleakagelt；gt；
　　上面计算了变压器的电感量，现在我们还需要得到相应的匝数才可以完成整个变压器的工作。
　　1）计算导通时间Ton周期时间
　　TTonToff1FswTonTDmaxFsw，Dmax都是已知量70kHz，0。45代入上式可得Ton6。43us
　　2）计算变压器初级匝数
　　NpVin（min）Ton（BAe）120Vdc6。43us（0。282mm2）47T（这里的数是一定要取整的，而且是进位取整，我们变压器不可能只绕半圈或其它非整数圈）
　　3）计算变压器12V主输出的匝数输出电压（Vo）：
　　12Vdc整流管压降（Vd）：0。7
　　Vdc绕组压降（Vs）：0。5
　　Vdc原边匝伏比（K）ViminNp120Vdc47T2。55输出匝数（Ns）（输出电压（Vo）整流管压降（Vd）绕组压降（Vs））原边匝伏比（K）（12Vdc0。7Vdc0。5Vdc）2。556T（已取整）
　　4）计算变压器辅助绕组（auxturning）输出的匝数计算方法与12V主绕组输出一样因为STVIPer53DIP副边反馈需低于14。5Vdc，故选取12Vdc作为辅助电压；Na6T到这一步，我们基本上就得出了变压器的主要参数原边绕组：47T原边电感量：0。77mH漏感lt；gt；
　　上面计算出匝数以后，可以直接确定漆包线的粗细，不需要去进行复杂的计算。
　　线径与常规电阻一样，都是有定值的，记住几种常用的定值线径。这里，原边电流比较小，可以直接选用0。25一股。辅助绕组0。25一股。主输出绕组0。4或0。5三股，不用选择更粗的，否则绕制起来，漆包线的硬度会使操作工人很难绕。
　　很多这一步39；计算39；过了以后，还会返回计算以验证变压器的窗口面积。个人认为返回验证是多余的，因为绕制不下的话，打样的变压器厂也会反馈给你，而你验证通过的，在实际中也不一定会通过；毕竟与实际绕制过程中的熟练度，及稀疏还是有很大关系的。
　　再下一步，需要确定输入输出的电容的大小，就可以进行布局和布板了。7、输入输出电解电容计算
　　输入滤波电解电容
　　Cin（1。53）Pin
　　输出滤波电解电容
　　Cout（200300）Io
　　上面我们计算出输入功率30W
　　所以Cin45～90uF
　　从理论上来说，这个值选的越大，对后级就越好；从成本上考虑，我们不会无限制的去选取大容量。此处选值47uF400Vdc85或105根据相应的应用环境来决定；电容不需要高频，普通低阻抗的就可以了。
　　输出电流是2A；
　　Cout400～600uF
　　此处电容需要适应高频低阻的特性，这个值也可以选值变大，但前提必须是在反馈环内。因为是闭环精度控制，故取值470uF16Vdc
　　这里电源就可以选两颗470uF16Vdc，加一个L，阻成CLC低通滤波器。
　　基本上到这里，PCB上需要外形确定的器件已经完成，即PCB封装完成；下一步就可通过前面的原理图（SCH）定义好器件封装。8、PCBLayout
　　上面已经确定变压器，原理图，以及电解电容，其它的基本上都是标准件了。
　　由sch生成网络表，在PCBfile里定义好板边然后加载相应的封装库以后，可以直接导入网络表，进行布局；因为这个板相对比较简单，也可以直接布板，导入网络表是一个非常好的设计习惯。
　　PCBlayout重点不是怎么连线，最重要的是如何布局；一般来说布局OK的话，画板就轻松多了。
　　在布局与布板方面：
　　1）RCD吸收部分与变压器形成的环面积尽量小；这样可以减小相应的辐射和传导。
　　2）地线尽量的短和宽大，保证相应的零电平有利于基准的稳定；同时VIPER53DIP这颗DIP8的芯片散热的重要通道。
　　3）在didtdvdt变化比较大的地方，尽量减小环路和加宽走线，降低不必要的电感特性。
　　附上相应的图，N久之前的版本，可以改进的地方很多，各位自行参考：目前这一块板仍一直在生产。
　　9、确定部分参数
　　我们前几步已经计算了变压器，PCBLayout完成以后，此时就可以确定变压器的同名端，完整的定义变压器，并发出去打样或自己绕制。
　　EER2828L骨架是66
　　原边：1gt；3辅助：6gt；5输出：7，8，9gt；10，11，12
　　对于输出的脚位，我们可以用两个，或者全用上，看各位自己的选择。
　　从原理图及PCB图上，1，6，7，8，9为同名端，自己绕制时，起线需从这几个脚位起，同方向绕制。
　　变压器正式定义：
　　1gt；2：0。25x1x24T
　　7gt；10：0。50x2x6T
　　8gt；11：0。50x2x6T
　　9gt；12：0。50x2x6T
　　2gt；3：0。25x1x23T
　　6gt；5：0。25x1x6T
　　2，4并剪脚
　　L13：0。77mH0。25V1kHz漏感低于5磁材：PC40或等同材质
　　高压：
　　原边vs副边：3750Vac1mA1min无击穿无飞弧
　　副边vs磁芯：1500Vac1mA1min无击穿无飞弧
　　阻抗：
　　原边vs副边绕组vs磁芯：500Vdc阻抗gt；100M
　　备注：这里采用三文治绕法，目的是为了降低漏感。
　　输出所有脚位全用上，目的是不浪费，同时降低输出绕组的内部阻抗。可以将PCB和变压器发出去打样了，剩下就是确定更多的参数并备料。
　　D101～D104：Iav0。25A选1N4007（1000V1A）当然选600V的也没有问题
　　snubbercircuit（RCD吸收）：R101100k1WC1011031kV（高压瓷片电容）
　　D105FR107（选600V的超快恢复也可以）：
　　这部分可以计算，也可以直接选用经典的参数，在调试时，再进行继续来检验。
　　D201：MBR10100
　　耐压：gt；VoVin（max）NsNp12V375Vdc64760V
　　D106：FR107（耐压计算同上，选FR101亦可，尽快将电源里器件整合，故选FR107）
　　R102：是一个分压电阻，主要用来限制Vdd的电压；0～100R范围内选，调试时，根据具体情况调整
　　R103，C105：这部分是STVIPER53DIP设定开关频率的，70kHz可查datasheet中的频率设定表，可知R10310kC105222
　　R103与C105组成一个RC网络，用于设定VIPer53的工作频率，它的工作频率可以高达300kHz，不过在ACDC里我不建议使用那么高的频率。在VIPer53datasheet里有一个曲线，不过不是很方便，我将常用的频率设定表，整理一下，贴出来大家参考。
　　8脚TOVL是一个延时保护的，此处可以直接选104具体参数，根据应用时，来调整这个值。
　　1脚comp是一个补偿反馈脚，给出一组验证过的参数：R1041k
　　C10447uF50V（电解电容）C103104这是一个一阶惯性环节，在副边反馈状态下，以副边反馈的补偿网络为主，在失反馈此补偿网络才变为主网络。
　　IC102选用PC817C就OK了，不需要要求太高的CTR值。
　　L20110uH3A的工字电感，与E201E202形成一个低通滤波器，能更好地抑制纹波，可计算，在这里我不提倡来计算，可以根据调试中所碰到的问题再来调整。
　　IC201TL431TO92封装，ref2。5V
　　R2051k这个值的计算gt；VoVopdiode（光耦内发光二极管的压降）Imin（光耦发光二极管最小击穿电流）
　　保证R205的选择能够在正常状态下，有效击穿光耦内部的发光二极管。
　　R204R20218k4。7k根据公式2。5VR202Vo（R202R204）可计算。
　　C202104这个也可以到时根据实际情况来调整，不需要去用公式进行复杂的计算。
　　CY103这个是Y电容可以选222400Vac，具体根据安规的耐压来选取，都可以在后续的工作中进行调整。10。调试过程
　　到以上部分，基本上一个电源算是设计完成，后面的就是焊板调试过程。
　　调试所需要的简单设备（必需的）：调压器，示波器，万用表；辅助设备：功率计，LCR电桥，电子负载
　　焊完板以后，进行静态检查，如果有LCR电桥的话，可以先测一下变压器同名端，电感量等参数以后再焊接。
　　静态检查：主要看有没有虚焊，连锡等；静态测试以后，可以用万用表测一下输入，输出是否处于短路状态；剩下就可以进行加电测试了。
　　开关电源的AC输入接入调压器，或者AC输入接入功率计再接至调压器，调压器处于0Vac；示波器接在STVIPER53DIP的DS两端或初级绕组两端亦可，交流耦合；万用表电压档测输出，并空载。
　　接通调压器电源，开始升压，不需要快速，同时观看示波器。
　　从0Vac开始升，会看到示波器上波形会有浮动（改成直流耦合会很清楚看到电压在上升）。当调压器的电压至40～60Vac区间时，如果示波器波形还没有变化的话，退回0Vac，重新检查电源板。
　　一般空载状态，在40～60Vac区间时，开关电源会开始工作，STVIPER53DIP也会进入工作模式，示波器上Vds波形会开始正常。
　　看输出电压是否达到预设值？未达到，退回0Vac检查采样，反馈及输出回路。如果都OK的状态下，再考虑将输入电压升至220Vac。遵循以上步骤调试的话，不会出现爆片或炸机现象。
　　备注：示波器需要隔离，或只允许LN输入，未隔离条件下PE的线不能接入，否则极易造成短路。
　　激动人心的一刻到了，人生的第一块电源就要诞生了！
　　带载还是建议一点一点地加，也监控着示波器，这里就省去一步一步加载过程，直接上手了。最后总结：
　　其实开关电源入门很简单，最好的入门是选用单片的，毕竟省去了启动电阻，电流检测电阻，MOS及驱动，保护电路等各种不确定因素的问题。等你真正入门了，积累一定的经验，再采用分立的结构进行设计就简单多了，凡事先易后难才有进步。